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세계 최초 개인정보 보호 기술이 적용된 인공지능(AI) 반도체 개발
우리 대학 전기및전자공학부 유민수 교수 연구팀이 세계 최초로 `차등 프라이버시 기술이 적용된 인공지능(AI) 어플리케이션(Differentially private machine learning)'의 성능을 비약적으로 높이는 인공지능 반도체를 개발했다고 19일 밝혔다.
빅데이터 및 인공지능 기술의 발전과 함께 구글, 애플, 마이크로소프트 등 클라우드 서비스를 제공하는 기업들은 전 세계 수십억 명의 사용자들에게 인공지능 기술을 기반으로 여러 가지 서비스(머신러닝 애즈 어 서비스, ML-as-a-Service, MLaaS)를 제공하고 있다. 이러한 서비스 중에는, 대표적으로 유튜브나 페이스북 등에서 시청자의 개별 취향에 맞춰 동영상 콘텐츠나 상품 등을 추천하는 `개인화 추천 시스템 기술(예- 딥러닝 추천 모델, Deep Learning Recommendation Model)' 이나, 구글 포토(Photo) 와 애플 아이클라우드(iCloud) 등에서 사진을 인물 별로 분류해주는 `안면 인식 기술 (예- 합성곱 신경망 네트워크 안면 인식, Convolutional Neural Network based Face Recognition)' 등이 있다.
이와 같은 서비스는 사용자의 정보를 대량으로 수집해, 이를 기반으로 인공지능 알고리즘의 정확도와 성능을 개선한다. 이 과정에서 필연적으로 많은 양의 사용자 정보가 서비스 제공 기업의 데이터 센터로 전송되고, 민감한 개인정보나 파일들이 저장되고 사용되는 과정에서 정보가 유출되는 문제가 발생하기도 한다.
또한 이러한 문제는 최근 주목받는 대형 인공지능 모델의 경우에 더 쉽게 발생하는 경향이 있으며, 실제 구글에서 사용하는 대화형 인공지능 모델인 GPT-2의 경우, 특정 단어들을 이야기했을 때 사용자의 개인정보 등을 유출하는 문제를 보였다. [참고1] 유사사례로서 국내에서 2020년 화제가 되었던 스캐터랩의 인공지능 챗봇 이루다의 경우에도 비슷한 문제가 불거진 적이 있다. [참고2]
[참고1] https://ai.googleblog.com/2020/12/privacy-considerations-in-large.html
[참고2] https://n.news.naver.com/mnews/article/092/0002243051?sid=105
이에 애플, 구글, 마이크로소프트 등 빅 테크 기업에서는 `차등 프라이버시 (differential privacy)' 기술을 크게 주목하고 있다. 차등 프라이버시 기술은 학습에 사용되는 그라디언트(gradient, 학습 방향 기울기)에 잡음(노이즈)를 섞음으로써 인공지능 모델로부터 사용자의 개인정보를 유출하는 모든 종류의 공격을 방어할 수 있다.
하지만 이러한 장점에도 불구하고, 차등 프라이버시 기술 적용 시, 기존 대비 어플리케이션의 속도와 성능이 크게 하락하는 문제 때문에 아직까지 범용적으로 널리 적용되지는 못했다. 이는 차등 프라이버시 머신러닝 학습 과정이 일반적인 머신러닝 학습과 다른 특성을 보이고, 이로 인해 기존의 하드웨어에서 효과적으로 실행되지 않아 메모리 사용량, 학습 속도 및 하드웨어 활용도 (hardware utilization) 측면에서 비효율적이기 때문이다.
이에 유민수 교수 연구팀은 차등 프라이버시 기술의 성능 병목 구간을 분석해 해당 기술이 적용된 어플리케이션의 성능을 크게 시킬 수 있는 `차등 프라이버시 머신러닝을 위한 인공지능(AI) 반도체 칩'을 개발했다. 유민수 교수팀이 개발한 인공지능 반도체는 외적 기반 연산기와 덧셈기 트리 기반의 후처리 연산기 등으로 구성돼 있으며, 현재 가장 널리 사용되는 인공지능 프로세서인 구글 TPUv3 대비 차등 프라이버시 인공지능 학습 과정을 3.6 배 빠르게 실행시킬 수 있고, 엔비디아의 최신 GPU A100 대비 10배 적은 자원으로 대등한 성능을 보인다고 연구팀 관계자는 설명했다. 또한 이번 개발을 통해서 기존 하드웨어의 한계로 널리 쓰이지 못했던 차등 정보보호 기술의 대중화에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다고 전했다.
우리 대학 전기및전자공학부 박범식, 황랑기 연구원이 공동 제1 저자로, 윤동호, 최윤혁 연구원이 공동 저자로 참여한 이번 연구는 미국 시카고에서 열리는 컴퓨터 구조 분야 최우수 국제 학술대회인 `55th IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture(MICRO 2022)'에서 오늘 10월 발표될 예정이다. (논문명 : DiVa: An Accelerator for Differentially Private Machine Learning)
또한 이번 연구는 지금까지는 없던 차등 프라이버시가 적용된 인공지능 반도체를 세계 최초로 개발했다는 점에서 의의가 있으며, 차등 프라이버시 인공지능 기술을 대중화해 인공지능 기반 서비스 사용자들의 개인정보를 보호하는 데에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다. 또한, 가속기의 성능 향상은 인공지능 연구 효율을 높여 차등 프라이버시 인공지능 모델의 정확도 개선에도 기여할 것으로 보인다.
한편 이번 연구는 한국연구재단, 삼성전자, 그리고 반도체설계교육센터 (IDEC, IC Design Education Center)의 지원을 받아 수행됐다.
2022.08.19
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디지털 펜으로 ´쓱쓱´ 그려 움직이는 3D 형상 ´뚝딱´ 만드는 시스템 개발
우리 대학 산업디자인학과 배석형 교수 연구팀이 종이 위에 그림을 그리는 듯한 펜 드로잉과 장난감을 손으로 다루는 듯한 멀티터치 제스처만으로 `움직이는 3D 스케치'를 쉽고 빠르게 만들 수 있는 새로운 시스템을 개발했다고 18일 밝혔다.
한때 공상과학 영화의 전유물이었으나 기술의 발전 덕분에 일상에서도 접할 수 있게 된 접이식 드론, 변신형 자동차, 다족 보행 로봇처럼 여러 움직이는 부분과 관절로 이뤄진 제품은 디자인할 때 형태뿐만 아니라 구조, 자세, 동작까지 동시에 고려해야 하므로 전문가도 많은 어려움을 겪는다.
기존의 3D 캐드(CAD) 소프트웨어는 정교한 형상 작업에 특화돼 있어 움직이는 모델 하나를 제작하는 데에도 많은 시간과 노력을 요구하는데, 특히 이는 다양한 가능성을 넓고 빠르게 탐색해야 하는 디자인 초기 과정에서 심각한 병목과 비용을 초래한다.
반면, 배 교수 연구팀은 모든 디자인은 종이 위에 펜으로 빠르게 그린 2D 스케치로부터 출발한다는 점에 주목하고 디자이너가 디지털 태블릿 위에 디지털 펜으로 자유롭게 표현한 2D 스케치로부터 입체 형상을 생성하는 `3D 스케칭' 기술을 개발해 왔다.
이번 연구에서 연구팀은 생성 중인 3D 스케치를 마치 장난감을 다루듯 두 손으로 조작할 수 있는 직관적인 멀티터치 제스처를 설계 및 구현함으로써 순식간에 살아 움직이는 입체 형상을 만들 수 있는 `움직이는 3D 스케칭' 기술을 완성했다(그림 1, 2).
우리 대학 산업디자인학과 이준협 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 해당 연구는 컴퓨터 그래픽스 분야 제1위 국제 학술지인 `ACM 트랜잭션 온 그래픽스(ACM Transactions on Graphics, 피인용지수: 7.403)'에 게재됐으며, 이와 연동돼 8월 초 캐나다 밴쿠버에서 개최된 최대 규모의 국제학술대회인 ACM 시그래프 2022(ACM SIGGRAPH 2022, h5-색인: 103)에 발표됐다(논문명: Rapid Design of Articulated Objects).
이번 시그래프(이하 SIGGRAPH)에는 전 세계 유수의 대학교 연구진, 마블(Marvel), 픽사(Pixar), 블리자드(Blizzard)와 같은 세계적인 애니메이션 사, 영화사, 게임사, 록히드 마틴(Lockheed Martin), 보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics)와 같은 첨단 제조사를 비롯해, 메타(Meta), 로블록스(Roblox)와 같은 메타버스 관련 기업 관계자 1만여 명이 참가한 것으로 알려졌다.
배 교수 연구팀의 기술 논문(Technical Paper) 성과는 SIGGRAPH에서 유망한 신기술을 현장에서 시연하는 `이머징 테크놀로지(Emerging Technologies)' 프로그램에 초청됐을 뿐만 아니라, 그중에서도 Top 3 우수 기술로 선정, 특별 강연으로 소개됐다. 제2 저자인 KAIST 산업디자인학과 김한빛 박사과정 학생이 불과 10분 만에 유려한 형태의 동물 로봇을 그리고 움직여서 입체 동영상을 완성하는 모습은 현장에 모인 청중의 감탄을 자아냈고 심사위원단이 선정한 우수 전시상(Honorable Mention)을 수상하는 영광을 얻었다(그림 3).
이번 SIGGRAPH에서 기조연설을 맡은 에드윈 캐트멀(Edwin Catmull) 픽사 공동 창업자 / 前 회장도 이 연구를 두고 "매우 훌륭한 업적이자(really excellent work), 픽사의 창의력 넘치는 디자이너들에게 필요한 도구(the kind of tool that would be useful to Pixar's creative model designers)ˮ라며 높이 평가했다.
연구를 지도한 배석형 교수는 "디자이너가 생각하고 작업하는 방식에 가까이 다가갈수록 효과적인 디자인 도구를 만들 수 있다ˮ며, "직관적인 상호작용 방식을 통해 여러 상이한 알고리즘을 하나의 조화로운 시스템으로 통합하는 것이 핵심ˮ이라고 강조했다. 또한 "학생 개개인이 디자이너인 동시에 엔지니어를 지향하는 KAIST 산업디자인학과만의 융합적인 토양이기에 가능한 연구였다ˮ고 덧붙였다.
3D 공간에서 자유자재로 움직이는 입체 형상과 같은 수준 높은 창의적 결과물을 기존 방식에 비교할 수 없을 만큼 쉽고 빠르게 생성할 수 있어서 가까운 미래에 콘텐츠 산업, 제조 산업, 나아가 메타버스 산업의 디자인 실무 혁신에 크게 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
- 웹사이트(다양한 움직이는 3D 스케치 예시 수록): https://sketch.kaist.ac.kr/publications/2022_siggraph_rapid_design
- ACM SIGGRAPH 2022 특별 강연(한글 자막 있음): https://www.youtube.com/watch?v=rsBl0QvSDqI
2022.08.18
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우리별 위성 연구팀, 우주기술 발전을 위해 30억 기부
'우리별 위성 연구팀(이하 연구팀)'이 30억 원 상당의 발전기금을 기부 약정했다. 우리별 1호 발사 30주년을 기념하기 위해 추진된 이번 기부는 1989년 공동 연구협약을 바탕으로 영국 서리대학에서 인공위성 기술을 연구했던 박성동 전 쎄트렉아이 의장을 포함해 산·학·연 각계에서 활동하고 있는 27명이 뜻을 모았다. 이들은 모두 KAIST 인공위성연구소가 해외의 우주기술 선진 대학으로 파견했던 유학생 출신이다. 연구팀은 최근까지도 꾸준하게 소통하며 인공위성 관련 기술을 습득할 수 있도록 지원해준 KAIST에 감사하는 마음과 사회로부터 받은 혜택에 보답할 수 있는 여러 방법을 논의해왔다.
발전재단 관계자는 "우리별 1호 발사 30주년이라는 뜻깊은 의미를 담아 30억 원의 발전기금을 약정한 것으로 알고 있다"라고 전했다. 약정식은 지난 7월 19일에 진행됐으며, 연구팀은 약정 금액 상당의 쎄트렉아이 주식을 향후 KAIST에 증여할 예정이다. '우리별 위성 연구기금'으로 명명된 이번 기부금은 우주 분야의 혁신적·창의적 기술 연구를 위해 사용된다. 정부 등으로부터 공식적인 예산을 받는 연구 과제가 되기 전 단계의 아이디어나 시작품을 개발하는 수준의 선행연구를 뒷받침하는 용도다. 우리 대학은 이를 위해 인공위성연구소장을 포함해 인공위성연구 개발에 헌신했던 10인 내외의 교수들로 선정위원회를 구성해 지원이 필요한 과제를 수시로 평가하고 선정할 계획이다.
박성동 전 쎄트렉아이 의장은 "다양한 분야를 연구하는 교수와 학생들의 전문성을 융합해서 활용하는 연구야말로 KAIST가 대학이라서 할 수 있는 고유의 역할"이라며, "미래지향적이고 선제적인 연구에 도전하는 인재들을 응원하는 일에 이번 기부가 마중물이 되길 기대한다"라고 밝혔다.
이광형 KAIST 총장은 "우리별 위성 개발이라는 거대한 모험에 뛰어들어 성공의 역사를 써 내려간 연구팀의 의지를 이어받아 우주기술 분야의 차별성과 수월성을 확보하기 위한 노력과 지원을 아끼지 않겠다"라고 감사 인사를 전했다. 우리별 위성 연구팀은 27명은 1989년 영국 서리대학에 파견한 다섯 명의 유학생을 시작으로 1996년까지 영국 런던대학, 일본 도쿄대학, 미국 컬럼비아·아이오와 대학 등에서 위성 관련 기술을 배워 고국으로 돌아왔다. 1992년 8월 11일 우리별 1호 개발 및 발사에 성공했으며, 우리별 2호(1993)와 3호(1999)까지 발사해 우리나라가 우주기술을 확보하는 초석을 놓았다. 이후 정부의 우주 분야에 연구비 지원이 증가하고 민간에서도 투자가 확대되면서 우리별 위성 연구팀원들은 기업, 출연(연), 학계, 창업 등을 통해 우주산업의 한 축을 형성하며 국가발전에 기여하고 있다.
▲ 우리별 위성 개발팀 27인(가나다순)
김도형(세트렉아이 사업개발 실장), 김문규(에스아이아이에스 대표), 김병진(쎄트렉아이 이사회 의장), 김성헌(코넬대학교 교수), 김승범(JPL 연구원), 김이을(쎄트렉아이 대표), 김태정(인하대학교 교수), 김형신(충남대학교 교수), 남명룡(루미르 대표), 류봉균(미국 EpiSci 대표), 민승현(쎄트렉아이 우주사업부문 PM), 박강민(국방과학연구소 수석연구원), 박성동 前 쎄트렉아이 의사회의장), 박성민(이화여자대학교 교수), 박원규(쎄트렉아이 방산사업부문장), 선종호(경희대학교 교수), 신동석(쎄트렉아이 지상사업부문장), 양호순(표준연구원 책임연구원), 유상근(한비전 대표), 이서림(한국항공우주연구원 책임연구원), 이우경(항공대학교 교수), 이임평(서울시립대학교 교수), 이준호(공주대학교 교수), 이현우(쎄트렉아이 연구위원), 장현석(SI Detection 대표), 전홍준(독일 OHB 매니저), 최경일(KTSAT CTO)
2022.08.18
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미생물 이용해 고효율 루테인 생산 기술 최초 개발
우리 대학 생명화학공학과 박선영 박사(現 LG화학)와 은현민 박사과정생을 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 `루테인을 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 17일 밝혔다.
루테인(lutein)은 눈을 산화 손상과 자외선으로부터 보호하며, 주로 계란의 난황과 과일 등에 함유된 영양물질이다. 루테인은 노안, 백내장 등의 예방 및 치료 효과가 있어 눈 영양제로 많이 판매되며, 이외에도 화장품과 동물사료에도 사용되고 있다. 노령화와 전자기기 사용 시간 증가에 따라 루테인 수요와 시장 규모는 빠르게 증가하는 추세다.
해당 연구 결과는 국제 학술지인 `네이쳐 카탈리시스(Nature Catalaysis)'에 8월 4일 게재됐다.
※ 논문명 : Metabolic engineering of Escherichia coli with electron channeling for the production of natural products
※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원, 교신저자), 박선영(한국과학기술원, 제1저자, 현 LG화학), 은현민 (한국과학기술원, 제2저자), 이문희(한국과학기술원, 제3저자) 포함 총 4명
현재 시장에 공급되고 있는 루테인은 주로 금잔화(marigold) 꽃에서 추출해 생산되지만, 금잔화 꽃의 재배에는 대지와 시간, 노동이 많이 요구된다는 점에서 대량으로 공급하기에 비효율적이다. 그 대안으로 화학적 합성 방법도 제시돼왔지만, 비대칭적인 화학 구조와 다양한 이성질체의 존재로 인해 이 또한 비효율적이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 루테인을 친환경적이며 고효율로 생산하는 미생물 세포 공장을 개발하려는 노력이 이뤄지고 있다. 시스템 대사공학은 효과적인 미생물 균주 개발을 위해 필요한 핵심 전략으로, 우리 대학 이상엽 특훈교수가 창시한 연구 분야다.
이상엽 특훈교수 연구팀은 미생물의 대사회로를 조작하는 기술인 대사공학을 이용해 대장균 내 루테인 생산 대사회로를 구축했으며, 이로써 값싼 바이오매스의 주원료인 글리세롤을 탄소원으로 사용해 고부가가치의 루테인을 생산하는 대장균 균주를 개발했다고 연구팀 관계자는 설명했다.
연구팀은 개발한 대장균 균주에 추가로 시스템 대사공학 기술과 대사회로의 전자 채널링 전략을 도입함으로써 대장균으로부터 루테인을 고효율로 생산할 수 있는 기술 개발에 성공했다.
대사회로 상 여러 생화학적 반응에 관여하는 효소는 원하는 목표 화학물질로의 대사 흐름을 방해하기에 그동안 루테인을 특정량 이상으로 생산할 수 없었다. 연구진은 병목 단계의 효소들을 그룹화해 세포 내 효소 주변의 기질들과 전자들의 농도를 높일 수 있는 기질 채널링 및 전자 채널링 효과를 만들었으며, 그 결과 루테인 생산을 위한 대사 흐름이 강화되면서 대장균을 이용해 루테인을 고효율로 생산하는 데 성공했다.
연구팀은 또한 동일한 전자 채널링 전략을 사용해 대장균에서 자몽의 향기 성분인 누카톤(nootkatone)과 항노화 천연화합물인 아피게닌(apigenin) 등을 생산하는 데 성공했다.
연구에 참여한 박선영 박사는 “천연자원으로부터의 비효율적인 추출법을 대체할 수 있는 미생물 기반의 고효율 루테인 생산 기술을 개발했다는 점에 의의가 있다”며 “이번 기술을 활용해 미생물 기반의 의약품, 영양 보조제 등의 제품을 만드는 데 한 단계 앞으로 나아갈 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 이상엽 특훈교수 연구팀에 의해 과학기술정보통신부가 지원하는 기후환경연구개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제’와 농촌진흥청이 지원하는 농업미생물사업단(단장 장판식)의 ‘카로티노이드 생산 미생물 세포공장 개발’ 과제(과제책임자 국립농업과학원 김수진 박사)의 지원을 받아 수행됐다.
2022.08.17
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상용 디젤로부터 수소 생산 가능한 개질 촉매 개발
우리 대학 기계공학과 배중면 교수, 이강택 교수와 한국에너지기술연구원(KIER) 이찬우 박사 공동 연구팀이 상용 디젤로부터 수소 생산이 가능한 고활성, 고내구성 디젤 개질 촉매 개발에 성공했다고 16일 밝혔다.
연료 개질(fuel reforming)은 탄화수소로부터 촉매 반응을 통해 수소를 추출하는 수소 생산 기술이다. 액체 연료인 디젤은 수소 저장 밀도가 높고 운반과 저장이 쉽다는 장점이 있어 디젤 개질을 통한 수소 공급 장치를 헤비트럭의 보조전원장치, 잠수함의 공기불요추진체계 등 모바일 연료전지 시스템에 적용하고자 하는 연구가 지속돼왔다.
그러나 디젤은 고 탄화수소의 혼합물로 긴 사슬 구조의 파라핀, 이중 결합을 갖는 올레핀, 벤젠 고리 구조를 갖는 방향족 탄화수소를 포함하고 있어 고 탄화수소를 효과적으로 분해하기 위한 높은 활성도의 촉매가 요구된다. 그뿐 아니라, 촉매의 성능 저하 요인인 코킹 및 열 소결에 대해 강한 내구성을 갖는 촉매가 요구돼 디젤 개질 기술 활용에 어려움을 겪어왔다.
연구팀은 용출(산화물 지지체에 이온 형태로 고용시킨 활금속을 열처리를 통해 금속나노입자 형태로 지지체 상에 고르게 성장시키는 방법) 현상을 통해 합금 나노입자를 형성하도록 촉매를 설계함으로써 고활성, 고내구성 디젤 개질 촉매를 개발하는 데 성공했다. 용출된 금속 나노입자는 지지체와 강한 상호작용을 갖는 특성이 있어 고온에서 높은 분산도를 유지할 수 있고, 이종 금속 간 합금을 형성해 상승효과로 촉매 성능 향상을 노릴 수 있다는 점에서 착안했다.
연구팀은 산화환원반응 촉매의 지지체로 흔히 쓰이는 세리아(CeO2)의 격자 내 백금(Pt)과 루테늄(Ru)을 미량 침투시킨 다성분계 촉매를 제조하기 위해 용액 연소 합성법을 도입했다. 이 촉매는 디젤 개질 반응 환경에 노출되었을 때 백금과 루테늄이 지지체 표면으로 용출된 후 백금-루테늄 합금 나노입자를 형성한다.
연구팀은 촉매 분석뿐만 아니라 밀도범함수 이론 기반 계산을 통해 활금속의 용출 및 합금 형성에 대한 거동을 에너지적 관점에서 규명하는데 성공했다. 백금-루테늄 합금 촉매를 사용해 기존 단일 금속 촉매와 개질 성능을 비교해 본 결과, 개질 활성도가 향상돼 저온(600oC, 기존 800oC)에서도 100%의 연료전환율을 보였으며, 장기 내구성 평가(800oC, 200시간)에서 성능 열화 없이 상용 안정적으로 상용 디젤로부터 수소를 생산하는데 성공했다.
우리 대학 기계공학과 이재명 박사과정이 제1 저자로, 한국에너지기술연구원 연창호 박사과정, 기계공학과 오지우 박사, 한국에너지기술연구원 한광우 박사, 기계공학과 유정도 박사, 한국기초과학지원연구원 윤형중 박사가 공저자로 참여했으며, 한국에너지기술연구원 이찬우 박사, 기계공학과 이강택 교수, 배중면 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 환경·재료·화학 분야 국제 학술지 `어플라이드 카탈리시스 비: 인바이러멘탈, Applied Catalysis B: Environmental'(IF 24.319, JCR분야 0.93%)에 지난 6월 17일 字 온라인판에 게재됐다(논문명: Highly Active and Stable Catalyst with Exsolved PtRu Alloy Nanoparticles for Hydrogen Production via Commercial Diesel Reforming).
배중면 교수는 "상용 디젤로부터 수소를 안정적으로 생산할 수 있다는 점에서 매우 의미있는 성과이며, 초기 수소 경제 사회에서 모바일 연료전지 시스템의 활용성 제고에 크게 이바지할 것으로 기대된다ˮ며, "이번 연구에서의 촉매 설계에 대한 접근법은 개질 반응뿐만 아니라 다양한 분야에서 응용 및 적용될 수 있을 것이다ˮ라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2022.08.16
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2022 청소년 과학 아카데미 성료
우리대학이 평택시와 함께 개최한 2022 청소년 과학 아카데미를 성료했다. 양 기관이 올해 처음으로 개최한 이번 청소년 과학 아카데미는 지난해 11월 KAIST와 평택시가 체결한 ‘KAIST 평택캠퍼스 조성을 위한 실시협약’의 일환으로 마련된 행사다. 이달 9일과 11일에 각각 60명씩 총 120명의 평택시 중고등학생이 KAIST를 방문해 미래 과학기술에 대한 이해를 높일 수 있는 프로그램을 체험했다. 이를 위해 배두환(전산학부), 최한림(항공우주공학과), 명재욱(건설및환경공학과), 남윤기(바이오및뇌공학과) 교수 등이 소프트웨어·항공우주공학·환경·바이오 분야의 특강을 진행했다.
또한, 급격한 과학기술 지형 변화에 따른 미래 일자리에 관한 질의응답을 통해 학생들이 개인의 적성과 진로를 탐색하는 시간을 가졌다. 이어, KAIST 캠퍼스 투어와 함께 재학생들과의 간담회가 열려 이공계 대학 캠퍼스 생활과 공부 방법 등 다양한 주제로 대화를 나누는 자리도 마련됐다.
행사에 참가한 신다희 현화중학교 3학년 학생은 "생분해 플라스틱이 알고 있던 것과는 다르게 환경에 해롭다는 것을 이번 특강을 들으며 알게 되었다"라며, "이번 기회를 통해 과학의 역할에 관심을 가지게 되었고 KAIST 진학에 대해 구체적으로 계획을 세워보고 싶다"라고 소감을 밝혔다.
평택시 관계자는 "KAIST를 찾아가는 청소년 과학 아카데미에 대한 학생과 학부모의 관심과 참여가 매우 높아, 앞으로도 관내 청소년의 미래 역량을 키울 수 있는 다양한 교육 프로그램을 마련하도록 하겠다"라고 전했다.
김경수 KAIST 기획처장은 "최근 들어 전통적인 대학의 임무였던 교육과 연구에 더해 '제3의 임무(the third mission)'가 더욱 강조되고 있다"고 말했다. 이어, 김 처장은 "이런 시대적 흐름에 발맞춰 KAIST가 지닌 자원을 국민에 개방해 대학과 지자체의 연계를 강화하고 지역 혁신 생태계 조성 및 국가 미래 인재 양성에 앞장서기 위해 노력하겠다"라고 밝혔다. KAIST와 평택시는 올해 말 '2022 겨울 청소년 과학아카데미'를 추가로 개최할 계획이다.
2022.08.12
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인공지능 기반 약물 가상 스크리닝 기술로 신규 항암 치료제 발굴 성공
우리 대학 생명과학과 김세윤 교수 연구팀이 `약물 가상 스크리닝 기술을 이용한 신규 항암 치료제 개발'에 성공했다고 12일 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 `세포 사멸과 질병(Cell Death & Disease)'에 지난 7월 12일 字 온라인 게재됐다.
※ 논문명 : Lomitapide, a cholesterol-lowering drug, is an anticancer agent that induces autophagic cell death via inhibiting mTOR
※ 저자 정보 : 이보아 (한국과학기술원, 공동 제1 저자), 박승주 (한국과학기술원, 공동 제1 저자), 이슬기 (한국과학기술원, 제2 저자), 오병철 (가천대학교 의과대학, 공동 저자), 정원석 (한국과학기술원, 공동 저자), 손종우 (한국과학기술원, 공동 저자), 김세윤 (한국과학기술원, 교신저자), 포함 총 10명
`엠토르(mTOR)'라고 알려진 신호전달 단백질은 많은 암세포에서 활성이 비정상적으로 높아져 있으며 또한 암뿐만 아니라 당뇨, 염증 및 노화와 같은 다양한 질병에서 핵심적인 역할을 한다. 특히 암을 유발하는 다양한 신호전달 경로가 엠토르 단백질을 통해 매개되기 때문에 많은 제약사에서 항암 치료제 개발의 목적으로 엠토르 저해제 개발에 많은 투자를 하고 있다.
자가포식(autophagy, 오토파지)으로 알려진 생명 현상은 세포 내 엠토르 단백질에 의해 활성 조절이 정교하게 매개되는 것으로 잘 알려져 있다. 자가포식이란 `세포가 자기 살을 먹는다'는 의미로, 영양분이 과도하게 부족하거나 세포 내외적 스트레스 조건에 처한 경우, 세포가 스스로 내부 구성물질들을 파괴해 활용함으로써 세포 내 항상성을 유지하는 일종의 방어기전이다.
이러한 자가포식 활성의 조절은 양날의 칼과 같이 작용하는 것으로 알려져 있으며, 이는 암, 당뇨와 같은 질환의 발생 및 치료에 이용 가능하다고 주목받고 있다. 암세포에 과도하게 활성화돼있는 엠토르 단백질의 활성을 저해하면 자가포식을 과도하게 증가시킬 수 있으며 이를 통해 암세포의 세포 사멸이 유도될 수 있다는 사실이 알려져 있으며 이를 바탕으로 자가포식 강화에 기반한 항암제 약물의 개발전략이 제시되고 있다.
이에 김세윤 교수 연구팀은 단백질의 3차원적 구조를 활용해 화합물과 표적 단백질 사이의 물리적 상호작용을 모델링하는 유효 결합 판별 기술에 기반한 약물 재창출 전략으로 엠토르 억제성 항암제 개발 연구를 수행했다.
약물 재창출은 이미 안전성이 검증된 FDA 승인 약물 또는 임상 진행 중인 약물군을 대상으로 새로운 적응증을 찾는 신약 개발 방식이다. 이 전략은 전통적으로 10년 이상 소요되는 신약 개발의 막대한 시간과 투자를 혁신적으로 단축할 수 있는 미래 시대 신약 개발전략이다.
연구팀은 FDA 승인 약물 또는 임상 시험 중인 약물에 기반한 데이터베이스를 통해 3,391종의 약물 라이브러리를 활용했다. 라이브러리의 모든 약물을 실험적으로 검증하기에는 연구비용과 시간이 많이 소요되므로, 3차 구조 모델링을 통한 유효 결합 판별 기술을 적용해 엠토르 활성 저해능력을 보이는 약물만 신속하게 스크리닝했다.
연구팀은 엠토르 단백질의 활성을 담당하는 효소 활성부위의 3차 구조 분석과 인공지능 기반 유효 결합 판별 기술을 도입해 후보 물질 발굴의 정확도와 예측도를 높이는 데 성공했다. 그리고 3차 구조를 타깃으로 약물 결합 분석 모듈을 도입해 가상 스크리닝의 정확도와 예측도를 높이는 데 성공했다. 이번 연구를 통해 개발된 기술의 가장 큰 특징은 타깃 단백질과 약물 간의 3차 구조 정보를 이용해 많은 양의 후보 성분들을 빠르고 정확하게 분석하고 결합 여부를 예측할 수 있는 것이다.
우리 대학 생명과학과 이보아 박사, 박승주 박사는 현재 가족성 고콜레스테롤혈증(familial hypercholesterolemia) 치료제로서 임상에서 판매, 활용되고 있는 로미타피드(lomitapide) 약물의 엠토르 활성 억제 가능성을 예측했다. 연구팀은 생화학적 및 세포 생물학적 분석을 통해 로미타피드에 의한 엠토르 효소활성의 억제효능을 검증하는 데 성공했다. 대장암, 피부암 등의 암세포에 로미타피드를 처리할 경우, 암세포의 엠토르 활성이 효과적으로 억제되고 이후 과도한 자가포식이 유도됨으로써 암세포 사멸효과가 발생함을 다각적으로 확인해 로미타피드의 항암 효능을 확립했다.
또한 대장암 환자로부터 유래한 암 오가노이드(organoid)에 로미타피드를 처리할 경우, 기존의 화학 항암 치료제 대비 우수한 암세포 사멸 능력을 보였다. 나아가 최근 차세대 고형암 치료용 항암 전략으로 주목받고 있는 면역관문억제제(immune checkpoint inhibitor)와 로미티피드를 병행할 경우, 면역관문억제제의 단독 처리 대비 비약적으로 개선된 시너지 항암효과를 나타냄을 동물모델 연구를 통해 검증하는 데 성공했다.
연구팀이 발굴한 로미타피드의 항암 효능 성과는 향후 엠토르 억제 및 자가포식 기반 항암제 개발 및 임상적 활용에 적극 활용될 것으로 기대된다.
이러한 연구성과는 벤처창업으로 연계돼 이보아 박사, 박승주 박사, 이슬기 박사는 인공지능 기반 신약개발 전문기업 `에아스텍'을 공동창업했으며 중소벤처기업부 팁스(TIPS) 창업지원 프로그램에 선정되는 등 활발한 연구개발을 수행하고 있다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 선도연구센터, 창의도전연구사업 및 KAIX 포스트닥펠로사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.08.12
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우리별 1호 발사 30주년 기념식 개최
우리 대학이 대한민국 최초의 국적 위성인 우리별 1호 발사 30주년을 기념하는 행사를 대전 본원 대강당에서 개최했다.
대한민국 우주개발의 문을 연 우리별 1호는 1992년 8월 11일 발사됐다. KAIST는 한국연구재단의 선도 공학연구센터 사업에 선정돼 1989년 8월 인공위성연구소(당시 인공위성연구센터)를 출범시켰다. 같은 해, 영국 서리(Surrey) 대학과 국제공동연구 협약을 체결해 본격적인 인력 양성을 시작했으며, 연구소 설립 3년 만에 우리별 1호 개발에 성공했다. 이후, 우리별위성 시리즈 3회, 과학기술위성 시리즈 5회, 차세대소형위성 1호 등 소형 위성 10기를 개발해 발사했다. 이 과정에서 지구관측, 우주관측, 지구과학, 발사체검증, 핵심기술검증을 수행해 대한민국이 독자적인 인공위성 설계 및 제작 기술을 보유하는 데 이바지했다. 2023년에는 한국의 발사체인 누리호(KSLV-II)를 이용해 차세대소형위성 2호를 발사할 예정이다. 이와 함께, 우주용 관제 대역 송신기, 태양 전지, 배터리 기술 등 저궤도 실용급 위성에 적용 가능한 우주핵심기술 개발에도 앞장서고 있다. 또한, 인공위성연구소의 기술 개발은 국내 민간기업이 위성사업에 진출하는 교두보로 작용했으며, 위성기술 사업화와 수출을 통한 국부 창출의 밑거름이 되었다. 11일 오전에 열린 우리별 발사 30주년 기념식은 우리나라 최초 위성 발사를 성공적으로 이끈 주역들의 노고를 기리고 지난 우주개발 역사를 반추해 더 넓은 미래 우주를 준비하는 자리로 마련됐다. KAIST 인공위성연구소의 설립과 발전을 도운 공로자들과 우리별 개발에 참여해 우리나라 우주개발에 이바지한 연구원들에게 감사패가 수여됐으며, 미래의 우주개발 산업을 이끌어갈 뉴스페이스 리더 1기 수료식이 함께 진행됐다. 뉴스페이스 리더 양성 사업은 우주 연구기관 전문가들이 관련 분야 학위소지자들을 1:1로 실무를 교육해 위성시스템 엔지니어링이 가능한 전문인력으로 양성하는 프로그램이다. 이를 위해, 항공우주, 전기전자 등의 석박사 학위자와 우주개발 관련 실무 경험자 10인을 선발했다. 이들은 지난해 8월부터 KAIST 인공위성연구소 연구원으로 재직했다. 실제 위성시스템 체계개발 사업에 직접 참여해 최고급 위성시스템 실무 역량을 전수받았으며, 향후 우주 기술 관련 기업에 진출할 예정이다.
또한, 이날 행사에서는 '우리별 1호를 통해 개척한 우리나라 우주개발, KAIST의 혁신적 우주탐사기술로 앞으로의 30년 K-우주시대를 선도한다'를 KAIST 인공위성연구소의 비전으로 확정해 발표했다. 연구소 관계자는 "지속적인 인재양성과 함께 우리별 귀환 임무, 반앨런대 관측임무를 통해 우주물체의 랑데부 및 도킹, 포획 및 제거 기술의 실증과 우주환경 탐사 등에 끊임없이 도전하겠다는 포부를 담았다"라고 설명했다. 이날 오후에는 '우리별과 대한민국 우주의 미래' 워크숍이 개최됐다. 우리별 위성에 개발에 참여한 산업계, 학계, 연구계를 대표하는 6인의 연사와 KAIST에서 우주 개발을 수행 중인 3인의 연사가 초청됐다. 김이을 쎄트렉아이 대표는 우리나라 위성 개발의 선구자였던 故최순달 박사가 늘 강조했던 말인 “Devotion(헌신)”을 제목으로 정한 강연에서 KAIST 인공위성연구소와 쎄트렉아이가 위성 개발에 참여했던 도전의 역사를 재조명하고 헌신의 정신을 되새겼다. 쎄트렉아이는 우리별 1호에 참여했던 연구 인력을 중심으로 1999년 설립된 국내 최초의 위성개발 전문 기업이다.
이어, 최경일 ㈜케이티샛 최고기술책임자, 장영순 한국항공우주연구원 발사체체계개발부장, 이대희 한국천문연구원 우주탐사그룹 책임연구원, 이우경 한국항공대학교 교수, 김형신 충남대학교 교수가 각각 산업계, 연구계, 학계를 대표해 강연을 이어갔다.
워크숍에서는 KAIST 인공위성연구소가 개발한 10번째 위성-차세대소형위성2호와 영상레이다 개발의 성과와 의의도 소개됐다. 2023년 초에 나로우주센터에서 누리호 3차 발사를 통해 고도 550km 우주궤도에 올려질 차세대소형위성 2호는 영상레이다(SAR)를 이용한 지구관측, 우주방사선 관측기를 이용한 우주환경관측, 그리고 국내개발 핵심기술에 대한 우주검증의 임무를 수행한다.
장태성 KAIST 인공위성연구소 단장은 "영상레이다(SAR)는 우주에서 지상으로 전파를 쏘아 되돌아온 신호를 수집해 지표영상을 획득하는 전략기술"이라고 강조했다. 이어, 장 단장은 "광학카메라와는 달리 기상 조건의 영향을 받지 않고 영상을 획득할 수 있다는 장점이 있으며, 위성 본체와 영상레이다를 국산화하고 우주로 보낼 비행모델의 제작과 종합환경시험이 완료됐다"라고 설명했다.
또한, 이준구 KAIST 전기및전자공학부 교수와 김영진 KAIST 기계공학과 교수가 KAIST 인공위성연구소와 함께 연구하는 미래 우주 기술인 '저궤도 위성 양자암호 통신 시스템'과 '차세대 인공위성 레이저 탑재체'를 각각 소개했다.
한편, 우주 분야 대표 기업 및 기관들의 연구를 한눈에 볼 수 있는 전시회도 마련됐다. 위성에 적용되는 탑재체 능동부품, 복합수신기·X-밴드 송신기·열제어장치 등 다양한 우주기술 성과가 소개됐다.
권세진 인공위성연구소장은 "우리별 발사 30주년 기념식은 우주개발 초기 연구자들의 노고를 기리고 미래를 이끌 연구자들의 사기를 북돋는 축제의 장이자, 뉴스페이스 시대 우주산업의 육성과 발전을 위한 협력과 기술정보 교류의 계기로 마련했다"라고 설명했다.
이광형 총장은 환영사를 통해 "항공우주 과학의 불모지였던 대한민국은 한국의 별을 우주로 쏘아 올리겠다는 꿈과 도전을 가진 이 자리의 주역들 덕분에 인공위성 발사 성공이라는 쾌거를 이뤘다"라고 치하했다. 이어, 이 총장은 "우리는 향후 30년의 후 미래 우주시대 개막을 위한 새로운 꿈을 가져야 할 시점에 서 있다"라고 강조했다.이날 행사에는 이상민·조승래 더불어민주당 의원, 이장우 대전시장, 권현준 과학기술정보통신부 거대공공연구정책관, 현정은 현대그룹회장 등 각 연구기관, 우주 기업 대표자 등 우주 관련 정부·산·학·연 관계자 250여 명이 참석했다. ‘우리별 발사 30주년 기념식’ 및 부대 행사는 유튜브 '한국과학기술원인공위성연구소' 채널에서 생중계됐다.
2022.08.11
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혁신전략정책연구소, 제10회 혁신과 기업가정신 세미나 개최
우리 대학 혁신전략정책연구소(Innovation Strategy and Policy Institute, 이하 ISPI)는 11일부터 13일까지 사흘 간 대전 본원에서 아시아혁신학회(AIEA), 전미경제연구소(NBER)와 공동으로 제10회 혁신과 기업가정신 세미나(2022 10th AIEA-NBER Conference on Innovation and Entrepreneurship)를 개최한다.
이번 콘퍼런스는 경제성장과 일자리 창출의 핵심인 '혁신과 기업가정신'에 대해서 ▴포스트 글로벌리제이션과 기업가적 경제(Entrepreneurial Economy) ▴저성장시대의 기업의 기술기반혁신모델 (Technology Innovation Model) ▴지속가능한 경제구조를 위한 창업생태계 모델 (Entrepreneurial Ecosystem) ▴창업환경의 새로운 패러다임과 경제성장 등 총 네 가지 주제를 중심으로 최신 연구를 발표하고 토론을 진행한다.
이번 세미나는 한국 사회가 사회적·정책적으로 당면한 저성장 및 양극화 문제를 되짚어보고 이를 극복할 수 있는 해결책과 함께 새로운 성장 동력을 창출하는 정책적 대안을 모색하기 위해 마련됐다. 또한, 대기업 중심의 산업 구조로 성장한 한국 경제가 ‘한국형 기업가정신’을 고취해 디지털 시대에 부합하는 새로운 부가가치 및 일자리를 창출하는 방안에 대해서도 함께 논의할 예정이다. 이와 함께, 기업 뿐만 아니라 대학 및 정부 등의 조직에도 적용할 수 있는 바람직한 혁신 및 기업가정신 생태계(Innovation and Entrepreneurship Ecosystem)에 대한 정책 제시도 함께 이루어진다.
우리 대학 기술경영학부 김원준 교수(혁신전략정책연구소장)와 공동 학회장을 맡은 MIT 슬론 경영대의 스콘 스턴(Scott Stern)교수는 전미경제연구소의 Innovation and Entrepreneurship Group의 Director로서 미국의 혁신 및 기업가정신 분야 연구 방향을 이끌어가고 있으며, 제프 퍼만 보스턴대 교수는 AI와 혁신의 관계를 연구하는 석학이다. 이번 세미나는 ▴기업가 정신과 혁신, ▴AI, 로봇과 혁신 ▴새로운 혁신과제 모델 ▴혁신과 지식 생산 등 총 네 개의 소주제로 진행되며, 9인의 세계 석학들이 연사로 참여한다.
김원준 KAIST 혁신전략정책연구소장은 "이번 콘퍼런스는 혁신과 기업가정신 분야의 국제적 흐름을 알 수 있는 소중한 기회가 될 것"이라며, "특히 인공지능 및 기계학습 등이 혁신과 기업가정신을 어떻게 살릴 수 있을지에 대한 대안을 제시하게 될 것"이라고 말했다.
KAIST ISPI는 혁신전략과 정책 연구분야의 글로벌 싱크탱크로서 2021년 정부 지원연구소로 선정됐다. 문명사적 격동기, 새로운 과학기술혁신 패러다임으로의 전환에서 한국과 국제사회가 지향해야 할 과학기술혁신의 전략적·정책적 방안을 제시하고, 과학기술 기반 국가 경쟁력 제고와 지속가능발전에 기여하는 것이 연구소의 목표다.공동 주최하는 미국 전미경제연구소(NBER, National Bureau of Economic Research)는 미국인 출신 노벨 경제학상 수상자 31명을 포함하여, 미국대통령경제자문위원회 위원장 등 다수의 연구자가 소속되어 있으며, 미국 경제정책에 매우 중요한 영향력을 가진 미국 핵심 경제연구기관이며, 미국 경제 각 분야에서 주요한 석학들로 구성된 연구기관이다.
2022.08.10
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항체를 활용한 신개념 생체 형틀법 최초 개발
우리 대학 신소재공학과 장재범 교수 연구팀이 다세포 생물이 갖는 특정 단백질 구조체를 활용할 수 있는 새로운 개념의 생체 형틀법을 최초로 개발했다고 10일 밝혔다. 긴 시간 동안 특정 기능에 최적화된 생명체가 갖는 복잡하고 정교한 구조체를 형틀로 삼아 이를 모방한 무기물 구조체를 만드는 방법을 생체 형틀법 이라고 한다. 이는 에너지, 광학, 마이크로로봇 분야 등에 응용돼왔다.
장 교수 연구팀은 항원-항체 반응에 착안해 특정 단백질을 항체로 표적화한 뒤, 항체에 붙어 있는 1.4 나노미터(nm) 크기의 금 입자에서 다양한 금속 입자들을 성장시킴으로써 특정 단백질 구조체를 모방한 금속 구조체를 합성하는 데 성공했다. 개발된 생체 형틀법은 일반적인 항원-항체 반응과 금속 입자 성장법을 기반으로 하기 때문에 다양한 생명체에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
신소재공학과 송창우, 송대현 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 7월 7일 字 온라인 출판됐다. (논문명 : Multiscale Functional Metal Architectures by Antibody-Guided Metallization of Specific Protein Assemblies in Ex Vivo Multicellular Organisms).
생명체가 갖는 특정 기능에 최적화된 다양한 구조체들은 복잡하고 계층적 구조를 기반으로 하여 인공적인 합성 방법을 통해 재현하기 어렵다. 따라서 이러한 생체 구조체를 형틀로 해 동일한 모양의 무기물 구조체를 합성하는 생체 형틀법이 개발돼왔으며, 합성된 생체 재료들은 촉매, 에너지 저장 및 생산, 센서 등 다양하게 활용돼왔다.
하지만 개발된 생체 형틀법 중 특정 단백질 구조체를 형틀로 사용한 경우는 적으며, 있다 하더라도 바이러스나 효모와 같은 단세포 생물의 특정 단백질 구조체를 형틀로 활용한 연구들 뿐이었다.
생명체의 특정 단백질 구조체를 활용하는 생체 형틀법은 원하는 생체 구조체만을 활용 가능하며 합성하고자 하는 생체 재료의 목적에 맞는 단백질을 선택해 사용할 수 있다는 장점이 있다.
연구팀은 기존의 생체 형틀법 한계를 해결을 위해 특정 단백질을 이미징할 때 활용하는 항원-항체 반응을 생체 형틀법에 적용했다.
연구팀이 사용한 항체는 1.4 나노미터(nm) 크기의 금 입자가 달려있고 이는 금속 입자 성장을 위한 종자(seed) 역할을 하게 되어 특정 단백질을 표적화한 항체로부터 다양한 금속 입자를 성장시킬 수 있다.
연구팀은 인간 세포 내부의 미세소관, 미토콘드리아, 핵, 세포막, 세포질에 존재하는 특정 단백질에서만 금 입자를 성장시키는 데 성공했으며, 세포 수준뿐만 아니라 조직 수준인 쥐의 뇌, 신장, 심장에서도 개발한 방법을 적용할 수 있다는 것을 보였다.
나아가 연구팀은 금 입자뿐만 아니라 은, 금-백금, 금-팔라듐 입자를 세포 내부 미세소관 구조체를 따라 합성함으로써 합성된 세포를 액상 반응의 촉매로 활용 가능하다는 것을 증명했다. 또한, 세포 표면에 철 입자를 성장시킨 후 자석으로 조절할 수 있음을 보여 향후 이러한 금속 입자가 성장된 세포들을 조절하거나 군집 행동을 구현하는 것이 가능함을 보였다.
연구팀이 개발한 신개념 생체 형틀법은 다세포 생물뿐만 아니라 항체 염색이 가능한 식물, 균류, 바이러스 등의 생명체에도 활용 가능해 다양한 생체 구조체를 모방한 생체 재료 합성에 이용될 것으로 기대된다.
제1 저자인 송창우 박사과정은 "이번 연구는 기존의 생체 형틀법으로 구현할 수 없었던 다세포 생물의 특정 구조체를 모방한 금속 구조체를 합성한 최초의 사례이며, 이를 통해 생체 형틀법을 활용할 수 있는 생체 구조체의 범위를 넓혔다ˮ 라며 "합성된 생체 재료는 이번 연구에서 보여준 촉매뿐만 아니라 전기화학 및 바이오센서에도 활용 가능할 것으로 예상된다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 과학난제도전 융합연구개발사업, 우수신진연구사업, 뇌과학원천기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
2022.08.10
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나노 크기 인공 지문으로 복제불가 사물인터넷 보안, 인증 원천기술 개발
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 DGIST 로봇및기계전자공학과 김봉훈 교수, 성균관대 화학공학/고분자공학부 권석준 교수와 공동연구를 통해 사람의 지문과 같이 매번 다른 형태를 형성하는 무작위적인 분자조립 나노 패턴을 이용한 새로운 IoT(사물인터넷) 보안/인증 원천기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
최근 IoT 기술이 발전함에 따라 다양한 기기들이 인터넷을 통해 연결된 초연결 시대가 도래하고 있다. 그러나 IoT 기기들의 해킹 사례가 빈번하게 보고되고 있으며, IoT 기술을 안전하게 사용할 수 있느냐에 대한 의문이 제기되는 실정이다.
우리 주위에 흔히 사용되는 인증 방법으로 사람의 지문이나 핸드폰 등에서 제공해주는 QR 패턴을 들 수 있다. 사람의 지문은 모든 사람에게 다르게 형성되므로 각 개인을 식별하기 위한 인증 매체로 오래전부터 사용돼왔으나, 그 크기가 눈에 보일 정도로 커서 쉽게 복제할 수 있다는 단점을 가지고 있다.
반면 최근까지도 코로나 방역에 큰 역할을 했던 QR코드는 사용할 때마다 매번 다른 패턴을 형성하므로 복제가 어렵지만, 새로이 패턴이 생길 때마다 무선통신으로 등록을 해야 하므로 에너지 소모가 크고 개인의 프라이버시가 침해되는 문제점이 지적되기도 했다.
이번에 공동연구팀이 개발한 인증기술은 김상욱 교수가 세계 최초/최고기술을 인정받고 있는 분자조립 나노 패턴 기술을 이용해 서로 다른 모양을 가지는 수십억 개의 나노 패턴을 저비용으로 만들어낼 수 있으며, 높은 보안 수준을 유지하면서도 초고속 인증이 가능하다. 또한 연구팀은 나노 크기의 소형화를 통해 눈에 보이지 않는 투명소자나 초소형 장치 또는 개미 혹은 박테리아에도 부착함으로써 미생물 인식 칩으로써의 활용 가능성도 제시했다.
공동연구팀이 개발한 기술은 복제 방지를 위한 다양한 하드웨어 인증시스템에 유용할 뿐만 아니라, 기존 소프트웨어 인증과 달리 전자기 펄스(EMP) 공격과 같은 최첨단 무기 체계에도 내구성이 있어 향후 군사 및 국가 안보 등에도 활용성이 높을 것으로 전망된다. 나아가 이상적인 난수 생성 소재 (true random number generator)로서의 활용성도 기대된다.
신소재공학과 김상욱 교수, DGIST 로봇및기계전자공학과 김봉훈 교수, 성균관대 화학공학/고분자공학부 권석준 교수가 공동 교신저자 및 KAIST 신소재공학과 졸업생인 김장환 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 전자공학 분야 최고 권위 학술지인 `네이처 일렉트로닉스(Nature electronics, JCR 상위 0.18 %)'에 7월 26일 字 게재됐다. (논문명 : Nanoscale physical unclonable function labels based on block co-polymer self-assembly).
또한 공동연구팀은 기술 개발 과정에서 국내 특허, 미국 특허, 유럽 특허 및 PCT를 출원해 이번 기술의 지적 재산권을 확보했다고 밝혔다. 해당 특허는 KAIST 교원 창업 회사인 `(주)소재창조'를 통해 사업화를 진행할 계획이다.
한편 이번 연구는 한국창의연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2022.08.09
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노화된 뇌에서 생겨난 비정상적 별아교세포 '아프다(APDA)' 발견
우리 연구진이 노화 및 치매 뇌에서 기억 중추인 해마 특이적으로 비정상적 별아교세포가 생겨나는 것을 최초로 관찰하고 그 원인을 규명했으며 이들은 신경 세포의 연결점인 시냅스의 숫자 및 기능 유지에 악영향을 줄 수 있음을 밝혔다. 이는 노화에 따른 인지 기능 저하를 일으키는 새로운 원인을 제시해 뇌 기능 회복에 활용이 기대된다.
우리 대학 생명과학과 정원석 교수와 이은별 박사, 정연주 박사 연구팀이 노화된 뇌에서 기존에 알려지지 않은 새로운 종류의 별아교세포를 발견했고, 이들이 세포 내 단백질 항상성이 손상돼 시냅스 생성 및 제거와 같은 기본적 능력이 결여돼있음을 밝혀 노화 관련 네이처 자매지인 `네이처 에이징(Nature Aging)'에 공개했다고 8일 밝혔다.
정원석 교수 연구팀은 이전 연구를 통해 비신경세포인 별아교세포가 신경세포의 시냅스를 만들 수도 또는 제거할 수도 있음을 밝힌 바 있다. 하지만, 이 같은 별아교세포의 기능이 노화 과정에서 어떻게 변화하는지는 알려지지 않았다.
☞ 시냅스(synapse): 뉴런(신경세포) 간 또는 뉴런과 다른 세포 사이의 접합 관계나 접합 부위를 말한다. 뉴런이 모여 있는 곳, 즉 뇌와 척수에 집중되어 있다.
연구팀은 노화된 뇌에서 별아교세포의 기능 변화를 이해하고자 단일 세포RNA 시퀀싱을 수행했고, 그 결과 기존에 노화 및 질병 뇌에서 존재한다고 알려진 염증성 별아교세포가 아닌 새로운 종류의 별아교세포가 존재함을 발견했다.
흥미롭게도 이들은 뇌에서 단기 기억을 저장한다고 알려진 해마에서만 노화 과정에서 선택적으로 생겨났으며, 이들 세포 내에는 불필요한 단백질을 제거하는 기전으로 알려진 자가포식(autophagy) 과정에서 생겨나는 오토파고좀(autophagosome)이 무분별하게 축적돼 있음을 밝혔다. 오토파고좀은 자가포식 과정에서 생겨나는 주머니 형태의 세포 소기관으로 세포내 불필요한 물질을 제거하기 위한 자가포식소체를 일컫는다. 이 같은 특징을 나타내기 위해서 연구진들은 중의적인 표현으로 새로 발견한 별아교세포를 `아프다(APDA: AutoPhagy-Dysregulated Astrocyte)' 세포로 명명했다.
별아교세포는 미세한 잔가지들을 통해서 수만 개의 시냅스를 감싸고 있으며, 글루타메이트(glutamate) 및 가바(GABA)와 같은 신경 전달 물질 및 다양한 이온들의 농도를 조절하는 역할을 수행함이 알려져 있다. 놀랍게도 APDA 세포들에서는 다양한 단백질들이 본래 위치에서 벗어나 오토파고좀에 갇혀 있는 현상이 발견됐으며 이로 인해 별아교세포가 시냅스를 만들거나 제거하는 능력이 모두 상실돼있음을 발견했다.
연구진은 자가포식 작용이 비정상적으로 조절되고 있음에 착안해 자가포식 작용에 영향을 주는 다양한 기전을 연구한 결과, 노화가 진행될수록 해마에 존재하는 별아교세포에서만 엠토르 (mTOR: 세포의 성장과 분열을 조절하는 단백질 합성의 신호체계)와 프로테아좀 (proteasome: 단백질 분해 효소 복합체) 활성도가 크게 감소함을 확인하였다. 이 두 기전은 원래 자가포식 작용을 제어하는 기전으로 알려져 있었는데 노화가 진행됨에 따라 다른 세포보다도 별아교세포에서 엠토르와 프로테아좀 기능이 감소함에 따라 자가포식 작용이 무분별하게 발생함을 밝힌 것이다. 그뿐만 아니라 이렇게 만들어진 오토파고좀들이 원래는 리소좀(lysosome)에 의해 분해돼 제거되나, APDA 세포들은 리소좀의 활성마저도 감소해 있음을 보였다.
이로써 세포 내 단백질 항상성을 조절하는 중요한 세 가지 기전 (엠토르, 프로테아좀, 리소좀)들이 모두 해마에 존재하는 별아교세포에서 노화에 따라 선택적으로 감소함에 따라, APDA 세포가 생겨남을 연구진은 보였다. 연구진은 실제 노화가 일어나지 않은 9개월령 쥐에게서도 엠토르 및 프로테아좀을 약물로써 감소시켰을 때 인위적으로 노화된 뇌에서 발견되는 APDA 세포를 만들 수 있음을 확인했다.
놀랍게도 연구진은 이러한 비정상적인 APDA 세포의 주변에 있는 시냅스들이 제대로 배열돼 있지 못하고 또한 그 숫자가 감소해 있음을 발견해 노화된 뇌에서 발생하는 시냅스 손상 및 뇌인지 기능 저하가 비정상적인 기능을 가진 APDA 세포에서 기인 할 수 있음을 제시했다. 또한 연구진은 치매 모델 쥐에서는 이 같은 APDA 세포가 정상 쥐의 노화 과정에서 보다 훨씬 더 빨리 해마에서 생겨남을 발견해 이들이 치매에서 나타나는 인지 기능 저하에도 역할을 할 수 있음을 보였다.
현재 노화된 뇌나 퇴행성 뇌 질환에서 교세포의 연구는 주로 염증성 교세포와 이들의 역할에 집중돼왔다. 연구팀의 이번 발견은 노화 및 치매 뇌에서 염증성 별아교세포와는 전혀 다른 종류의 비정상적 별아교세포가 존재함을 밝힌 첫 번째 연구 결과이며, 이들이 시냅스의 항상성을 무너뜨릴 수 있음을 제시했다.
연구팀은 이번 연구가 현재 노화를 극복하기 위해 엠토르를 전체적으로 억제하려는 현재 패러다임이 오히려 비정상적인 APDA 세포의 생성을 촉진할 수도 있음을 시사한다고 언급하며, 향후 연구에서는 노화 극복 방안이 세포 특이적으로 세분화돼야 함을 강조했다.
우리 대학 생명과학과 이은별 박사과정 학생과 정연주 박사 후 연구원이 공동 제1 저자로 참여하고, 정원석 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 `네이쳐 에이징 (Nature Aging)'에 지난 8월 1일 자로 온라인 공개됐으며 (논문명: A distinct astrocyte subtype in the aging mouse brain characterized by impaired protein homeostasis), 같은 저널에 News & Views (Astrocytic traffiic jams in the aging brain)에도 소개됐다.
한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성재단과 치매극복연구개발사업단의 도움을 받아 진행됐다.
2022.08.08
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